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中央空调节能控制系统的设计与开发


传统中央空调系统设计通常情况下是以空调的最大负载为依据进行设计,其水系统和风机盘管系统采用的是定流量和定风量的运行模式,因此,中央空调系统消耗了很大的电力能源。其中,最大的耗能部分来自冷水机组,除了冷负荷估算过大的原因外,还有冷水机组的工况受冷负荷的变化以及水系统的温度变化的影响,一般情况下达不到最佳的工况,所以冷水机组节能的空间比较大。
1 中央空调的制冷原理
中央空调系统一般由制冷机组、冷水循环系统、冷却水系统和风机盘管系统组成。将制冷系统分为直接制冷以及间接制冷系统两种。主要区别在于:直接制冷系统中的蒸发器与被制冷对象直接交换热量,仅包括制冷回路;在间接制冷系统中,除制冷剂回路外,还有载冷剂回路。空调水循环系统是中央空调的重要组成部分,一般由冷水循环系统和冷却水循环系统组成。冷水循环系统:通过冷水水泵将从制冷主机流出来的低温冷水,输送到风机盘管系统中去,将室内的热量吸收,这一过程,低温冷水就变为了高温冷水,高温冷水重新进入到冷水机组,与蒸发器内的制冷剂进行热量交换,将获得到的冷量输送到风机盘管系统中,达到制冷的目的。冷却水循环系统主要由冷却水泵、冷却水管路和冷却水塔组成。制冷机组在工作过程中会产生大量的热,多余的废热需要通过冷却水系统排到室外。冷却水循环系统的主要作用就是将制冷机组运行过程中产生的废热排到室外。风机盘管系统作为制冷系统的末端装置,就是不断的将室内的空气进行循环,促使其与冷水系统重复的进行热交换,并且提供适量的新风,满足室内的环境需要。
制冷原理:首先,压缩机将常温低压制冷剂气体压缩成高温的气体制冷剂,经过冷凝器到膨胀阀的制冷系统高压侧,这时候通过冷却水循环系统将高温高压的气体制冷剂中的热量吸收,制冷剂就会变为液体,之后,流出冷凝器,变为过冷液体。之后,高压制冷剂通过节流装置降低其压力,从电子膨胀阀的出口到压缩机的回气口,过冷液体制冷剂通过膨胀阀时,由于节流作用由高压降至低压,外部无热交换。同时,一小部分的液体制冷剂在被汽化的过程中,温度就会降低,之后进入到蒸发器中进行吸热,这个过程就是空调的制冷过程。常温水在冷冻水泵的作用下,被带入到蒸发器的盘管中,在制冷剂的作用下,常温水的温度就会降低,为空调提供冷源。降温后的冷水被送到冷却盘管中,将盘管周围的热量吸收掉,之后将产生的低温空气送到室内,达到降温的目的。
2 中央空调节能控制系统的设计
目前,国内多数中央空调系统的水系统和风机盘管系统采用恒流和恒风量的运行模式,而且系统的大部分时间是在部分负荷条件下工作,导致浪费电能。对中央空调系统进行改造,采用变流量水系统和变风量系统是当前中央空调系统节能的有效措施。
2.1 系统硬件的组成
本设计的监控系统硬件主要包括:PAC、触摸屏、热电偶、AI 模块等。在一般的控制系统应用中,PLC 和IPC 的应用比较广泛,但二者在实际应用中存在一定的不足,PLC 的可靠性比较高,但是快速的数据处理能力不足;IPC 的数据处理能力比较高,但是稳定性不足。鉴于此,本设计采用的是PAC 控制器,作为一种新型的控制器,PAC 控制引擎比较轻便,而且提供了多功能的开发工具。PAC 的软逻辑内核通过后台运行,可以和其它的应用程序同时并存,集实时控制、数据库功能为一体,实现多功能的特点。系统采用的是ADAM-5550KW 型控制器,同时具备PLC 的可靠性能以及PC 的运算性能。具有分散控制、模拟测量的多种功能。AI 模块采用的是16 位、8通道的差分输入模块,主要是接受不同的信号,由于信息形式以及范围的不同,因此,需要通过编程设置来满足实际的工作要求。
2.2 系统的软件设计
系统节能控制软件主要包括上位机和下位机软件设计。上位机控制软件主要由Modbus 通信、数据采集、格式转换、存储、监控画面等功能。下位机控制软件主要由信号采集、处理以及PID 控制算法组成。通过Modbus 通信来实现上位机和下位机之间进行数据的交换。
上位机程序主要包括通信的实现、监控界面的实现、参数显示、曲线显示等功能。由于PAC 内存有限,在界面的设计中,界面和数据采集线程都会占用内存,为了防止出现内存不足,导致运行缓慢或者死机的情况,本系统设计的要求是关某个运行的界面被关闭以后,其相应占有的内存就会被释放,而且其它界面的运行也不会受到影响,因此,在实际设计中,采用了打开即分配,关闭即释放的策略,即以实际的工作状况为前提,打开一个界面,就为该界面的通信线程及控件进行内存的分配,满足工作需要,关闭界面时,就会进行内存的释放,有效的实现了PAC 的内存动态管理,为系统更好的运行提供了基础。
下位机程序主要包括信号的采集、存储、处理、控制算法的实现等,主要采集的信号是冷水的进、出水温度,冷却水的进、出水温度,房间温度信号等,由于存在噪声干扰,需要采用中值滤波和平均值滤波结合的方式来对信号进行滤波处理,这样得到的值与传感器的显示值差别小。上位机与下位机程序之间的转换通过Modbus/TCP 协议来实现,一般是通过ADAM-5550KW 系列控制器的以太网端口来支持Modbus/TCP 的服务器功能。目前来看,Modbus 是工业领域应用比较广泛的协议,许多的工业设备,比如:PLC、智能仪表等都通过Modbus 协议作为通讯标准。不同厂商生产的控制设备通过Modbus 协议就可以组成工业网络,便于集中控制。
2.3 空调水系统节能控制方案
2.3.1 冷水系统节能方案
本系统采用的冷开利30HXC200 型冷水机组具有变冷负荷运行的能力,可以实现根据冷却负荷的变化而调节冷却水流量,将蒸发器的制冷能力进行调节,因此,该系统可以转化为一个可变流量系统。在实际的工作过程中,冷负荷是不断变化的,在这个方案中,当空调系统的冷负荷发生变化时,变频器就会调节冷水泵的运行速度,冷水流量随着冷负荷的变化而调节,在不同的冷负荷条件下工作。为了保证蒸发器侧的冷水流量最小,可以在在旁通管上加装旁路阀,满足实际工况需求。冷水变流量系统常用的控制方法是定温差法和定压差法。在实际的运用中,定温差法的操作比较简单,施工的复杂程度也比较小。此外,由于冷水系统的负荷与压差的直接关系不大,因此压差不能准确的来反映出空调的负荷变化。此外,由于系统只包含一个终端设备,而恒温差控制方法能够更准确地反映空调系统的冷负荷变化,所以采用定温差控制方法是合理的。
2.3.2 冷却水节能控制方案
冷却水系统节能控制的原则是在满足空调负荷的基础上,将冷水流量最大限度的降低,以此来减少对电能的消耗,达到节能的目的。冷却水泵和冷却塔风机是冷却水系统的主要组成部分,这两个部分在系统中承担不同的作用,其中,冷却水的流量需要通过冷却水泵调节,冷却水的回水温度则需要冷却塔风机来控制。一般情况下,通过温差控制法和冷凝温度控制法来调节冷却水的变流量。在实际的设计中,如果冷却水泵的功率与冷水机组的功率比值大于10% 的话,那么选择冷凝温度控制法的节能效果更明显,需要注意的是,冷凝温度控制法要求冷却水的回水温度范围为18-25℃,如果在夏天外界温度高的情况下,需要通过冷却塔的喷淋来满足温度需要。
2.4 风机盘管系统节能控制方案
通过中央空调的工作原理可知,冷水系统在冷水泵的作用下将携带的冷量输送到风机盘管中去,与盘管内的室内热量进行交换,再由盘管风机将冷风送到室内,达到调节室内空气的目的。通过盘管系统的工作原理,直接控制低温空气的流量可以达到节能的目的。传统的恒风量空调制冷系统,空调系统末端的冷负荷变大或者变小,风机盘管的送风量是不变的,就造成了电能的浪费。采用变风量系统,可以根据冷负荷的大小来调整送风量,起到节能的作用。可以在风机末端安装变频器,在空调控制的房间内安装温度传感器,更加精确的测量温度,通过比较设定温度值与实际监测到的温度值,由变频器来调节风机的转速,控制送风量,达到调节温度的目的。
3 结束语
冷水机组是中央空调系统最耗能的部分,实现冷水机组的节能处理是空调节能系统的关键。随着科学技术的发展,应该从冷水机组的控制电路板以及信号控制方面入手,分析冷水机组的耗能原因,设计最佳的节能方案,达到节能控制要求。

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